大二上-工程熱力學(xué)第1章

作業(yè)1-41-71-81-10第一章

基本概念

BasicConcepts§1-1熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng))：人為地選取一定范圍內(nèi)的物質(zhì)——研究對象1、系統(tǒng)的定義ThermodynamicsystemThermodynamicsystem:Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy§1-1熱力系統(tǒng)

(續(xù))外界：系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)2、外界、系統(tǒng)的邊界邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界surroundingsboundary邊界特性真實、虛構(gòu)固定、活動fixed、movablereal、imaginary熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：是否傳熱是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系

有無是否傳質(zhì)進口出口開口系閉口系非絕熱系絕熱系孤立系TypesofSystem開口系絕熱系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume閉口系A(chǔ)diabaticsystem1234mQW1

開口系系統(tǒng)間的關(guān)系非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系簡單可壓縮系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)

只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功SimplecompressiblesystemMovingBoundaryWorkCompressionWorkExpansionWork§1-2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分Stateandstateproperties狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點函數(shù)、態(tài)函數(shù)12ab例：登山高度pointfunction狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)Totaldifferentials強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù)如壓力

p、溫度T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性如

質(zhì)量m、容積

V、內(nèi)能

U、焓

H、熵S比參數(shù)：比容比內(nèi)能比焓比熵

單位：/kg/kmol

具有強度參數(shù)的性質(zhì)Intensiveproperties

Extensiveproperties

強度參數(shù)與廣延參數(shù)

(續(xù))

速度動能高度

勢能

內(nèi)能溫度應(yīng)力摩爾數(shù)（強）（強）（強）（強）（廣）（廣）（廣）（廣）Velocity

KineticEnergyHeight

PotentialEnergyTemperature

InternalEnergyStressMol§1-3基本狀態(tài)參數(shù)壓力

p、溫度T、比容v

（容易測量）1、壓力

p(pressure)

物理中壓強，單位:Pa(Pascal),N/m2常用單位(Units)：

1

kPa=103

Pa1bar

=105

Pa

1

MPa

=106

Pa

1

atm

=760

mmHg

=1.013105

Pa

1

mmHg

=133.3

Pa

1

at=1

kgf/cm2

=9.80665104

PaBasicstateproperties壓力p測量示意圖絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值

——相對壓力注意：只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)U-tubemanometerBourdonTube絕對壓力與相對壓力當

p

>pb表壓力

pg當

p

<pb真空度pvpbpgppvprelativepressureabsolutepressureGaugepressureVacuumpressurepg環(huán)境壓力與大氣壓力指壓力表所處環(huán)境

注意：

環(huán)境壓力一般為大氣壓，但不總是。見習題1－7環(huán)境壓力Environmentalpressure大氣壓力Atmosphericpressurebarometric

hbarometer大氣壓力Atmosphericpressure大氣壓隨地點等變化標準(物理)大氣壓:

1atm=760mmHg當h變化不大，ρ常數(shù)當h變化大，ρρ(h)見習題1－4OtherPressureMeasurementDevices高精度測量：活塞壓力計

pistonmanometer工業(yè)、科研測量：壓力傳感器

Pressuretransducers(壓電效應(yīng)

Piezoelectriceffect)§1-3基本狀態(tài)參數(shù)

(續(xù))壓力

p、溫度

T、比容v

（容易測量）2、溫度

T(Temperature)Basicstateproperties溫度T的一般概念傳統(tǒng)：冷熱程度的度量（感覺，導(dǎo)熱介質(zhì)等有關(guān)）微觀：衡量分子平均動能的量度溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。是溫度測量的理論基礎(chǔ)

溫度計為什么叫做熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律18401850年

E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準溫度的熱力學(xué)定義(續(xù))處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量：溫度

溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量Temperaturemeasurement溫度計物質(zhì)（水銀，鉑電阻……）特性（體積膨脹，阻值…...）基準點刻度

Scale溫標

TemperaturescaleReferencestate溫標Temperaturescale

熱力學(xué)溫標（絕對溫標）Kelvinscale

（Britisher,L.Kelvin,1824-1907）

攝氏溫標Celsiusscale(Swedish,A.Celsius,1701-1744）

華氏溫標Fahrenheitscale(German,G.Fahrenheit,1686-1736)

朗肯溫標Rankinescale(W.Rankine,1820-1872)溫標的換算§1-3基本狀態(tài)參數(shù)

(續(xù))壓力

p、溫度T、比容

v

（容易測量）3、比容

v(specificvolume)Basicstateproperties[m3/kg]工質(zhì)聚集的疏密程度物理上常用密度(density)

[kg/m3]§1-4平衡狀態(tài)Equilibriumstate1、定義：在不受外界影響的條件下(重力場除外)，如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。Asysteminequilibriumexperiencesnochangeswhenitisisolatedfromitssurroundings.ManytypesofEquilibrium1、熱平衡Thermalequilibrium：

Ifthetemperatureisthesamethroughouttheentiresystem.溫差

Temperaturedifference熱不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium(Continue)2、力平衡Mechanicalequilibrium：

Ifthereisnochangeinpressureatanypointofthesystemwithtime.

Thevariationofpressureasaresultofgravityinmostthermodynamicsystemisrelativelysmallandusuallydisregarded.壓差

Pressuredifference力不平衡勢UnbalancedpotentialsManytypesofEquilibrium(Continue)3、相平衡Phaseequilibrium：

Whenthemassofeachphasereachesanequilibriumlevelandstaysthere.4、化學(xué)平衡Chemicalequilibrium：

Ifitschemicalcompositiondoesnotchangewithtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.平衡的本質(zhì)

溫差

—

熱不平衡勢

壓差

—

力不平衡勢

相變

—相不平衡勢化學(xué)反應(yīng)

—

化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢Inanequilibriumstatetherearenounbalancedpotentialswithinthesystem平衡Equilibrium與穩(wěn)定Steady穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定，但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定，不受外界影響的穩(wěn)態(tài)才是平衡態(tài)。平衡Equilibrium與均勻Even平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的為什么引入平衡概念？

如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度等）描述。但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述

？§1-5狀態(tài)方程、坐標圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù)為

N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)公理Statepostulate閉口系：而不平衡勢差彼此獨立獨立參數(shù)數(shù)目N=不平衡勢差數(shù)

=能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目

=各種功的方式+熱量=n+1n

容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等不平衡勢差狀態(tài)變化能量傳遞消除一種

達到某一

消除一種能量不平衡勢差方面平衡傳遞方式簡單可壓縮系統(tǒng)的獨立變量數(shù)簡單可壓縮系統(tǒng)：N=n+1=2只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功

Thestateofasimplecompressiblesystemiscompletelyspecifiedbytwoindependentproperties.狀態(tài)方程Equationofstate簡單可壓縮系統(tǒng)：N=2狀態(tài)方程

基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系狀態(tài)方程的具體形式理想氣體的狀態(tài)方程：實際工質(zhì)的狀態(tài)方程？？？取決于工質(zhì)的性質(zhì)TheIdeal-GasEquationofState座標圖diagram簡單可壓縮系統(tǒng)N=2，平面坐標圖pv1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可表示在坐標圖上說明：2）過程線上任意一點均為平衡態(tài)3）非平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見p-v圖和T-s圖21§1-6準靜態(tài)過程、可逆過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無法簡單描述熱力學(xué)引入準靜態(tài)（準平衡）過程quasi-static,orquasi-equilibrium一般過程Processp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0突然去掉重物最終p2

=p0T2

=T0pv12..準靜態(tài)過程Quasi-staticprocessp1

=p0+重物p，Tp0T1

=T0假如重物有無限多薄層每次只去掉無限薄一層pv12...系統(tǒng)隨時接近于某個平衡態(tài)準靜態(tài)過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化的既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準靜態(tài)應(yīng)無限緩慢，

工程上適用嗎？準靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）>>能夠足夠快恢復(fù)新平衡

準靜態(tài)過程Relaxationtime準靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度(聲速)：350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復(fù)平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛睖熟o態(tài)過程的容積變化功pp外f初始：pA

=p外A

+fA如果

p外微小可視為準靜態(tài)過程dl以汽缸中mkg工質(zhì)為系統(tǒng)mkg工質(zhì)發(fā)生容積變化對外界作的功：W

=pAdl=pdV1kg工質(zhì)：w

=pdvdl很小，近似認為p不變，MovingBoundaryWork準靜態(tài)過程的容積變化功

(續(xù))pp外2mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdv1注意：上式僅適用于準靜態(tài)過程示功圖indicator(p-V)diagrampV.12.pp外21mkg工質(zhì)：W=pdV1kg工質(zhì)：w=pdvW作業(yè)1-141-151-16準靜態(tài)容積變化功的說明pV.12.2）

p-V圖上用面積表示3）功的大小與路徑有關(guān)，

過程量Pathfunction4）統(tǒng)一規(guī)定：dV>0，膨脹對外作功（正）

dV<0，壓縮對內(nèi)作功（負）5）適于準靜態(tài)下的任何工質(zhì)（一般為流體）6）外力無限制，功的表達式只是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)7）有無f，只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差別1）單位為[kJ]

或[kJ/kg]Ww摩擦損失FrictionLoss的影響若有f存在，就存在損失pp外21系統(tǒng)膨脹作功W，外界得到的功W’<W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的功W’’<W’即外界、活塞、系統(tǒng)不能同時恢復(fù)原態(tài)。摩擦損失FrictionLoss的影響(續(xù))若f＝0pp外21系統(tǒng)膨脹作功W，外界得到的功W’＝W若外界將得到的功W’再返還給系統(tǒng)則外界、活塞、系統(tǒng)同時恢復(fù)原態(tài)。可逆reversible過程系統(tǒng)經(jīng)歷某一過程后，如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程為可逆過程。Aprocessthatcanreversedwithoutleavinganytraceonthesurroundings.Thatis,boththesystemandthesurroundingsarereturnedtotheirinitialstatesattheendofthereverseprocess.注意恢復(fù)初態(tài)只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。定義：可逆過程的實現(xiàn)準靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程

不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變形，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)DissipativeeffectHeattransfer常見的不可逆不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesValve常見的不可逆

（續(xù)）混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess引入可逆過程的意義

準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程?？赡孢^程的功和熱可完全用系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)表達，可不考慮系統(tǒng)與外界的復(fù)雜關(guān)系，易分析。實際過程不是可逆過程，但為了研究方便，先按理想情況（可逆過程）處理，用系統(tǒng)參數(shù)加以分析，然后考慮不可逆因素加以修正。完全可逆、內(nèi)可逆、外可逆

完全可逆

可逆內(nèi)部可逆，外部不可逆常見90℃5℃例：內(nèi)可逆外不可逆TotallyreversibleInternallyreversible

外部可逆，內(nèi)部不可逆Externallyreversible

§1-7功量Work1、力學(xué)定義:

力在力方向上的位移2、熱力學(xué)定義I熱力學(xué)定義II功的熱力學(xué)定義I

如果系統(tǒng)與外界發(fā)生能量傳遞時，其唯一效果可歸結(jié)為舉起重物，則系統(tǒng)與外界交換了功。

Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundings

couldbetheraisingofaweight.

作功與傳熱的不同：傳熱的全部效果不可能與舉起重物的效果相當。功的熱力學(xué)定義II

功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。功的表達式功的一般表達式熱力學(xué)最常見的功容積變化功

（膨脹功or壓縮功）其它準靜態(tài)功：拉伸功，表面張力功，電功等§1-8熱量與熵HeatandEntropyHeatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(orasystemanditssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.

定義：熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。熱量與容積變化功能量傳遞方式容積變化功傳熱量性質(zhì)過程量

過程量推動力

無限小

p勢差無限小T勢差標志

dV,dv

dS

,ds公式適用條件

準靜態(tài)或可逆可逆熵(Entropy)的定義reversible比參數(shù)

[kJ/kg.K]ds:

可逆過程

qrev除以傳熱時的T所得的商

清華大學(xué)劉仙洲教授將其命名為“熵”廣延量

[kJ/K]熵的說明1、熵是狀態(tài)參數(shù)

3、熵的物理意義：熵體現(xiàn)了可逆過程

傳熱的大小與方向2、符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱時為正

Q>0dS>0系統(tǒng)放熱時為負

Q<0dS<04、用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量(?)示功圖與示熱圖pVWTSQ

示功圖溫熵(示熱)圖§1-9熱力循環(huán)Cycle要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：

熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。Asystemissaidtohaveundergoneacycleifitreturnstoitsinitialstateattheendoftheprocess循環(huán)和過程CycleandProcess循環(huán)由過程構(gòu)成不可逆循環(huán)(含虛線)可逆過程不可逆循環(huán)可逆循環(huán)(閉合實線)正循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱順時針方向2112動力循環(huán)Powercycle逆循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆時針方向2112制冷循環(huán)Refrigerationcycle熱力循環(huán)的評價指標正循環(huán)：凈效應(yīng)（對外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2動力循環(huán)：熱效率熱力循環(huán)的評價指標

(續(xù))逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）WT0Q1Q2T2制冷循環(huán)：制冷系數(shù)制熱循環(huán)：制熱系數(shù)第一章小結(jié)Summary基本概念：熱力系平衡態(tài)準靜態(tài)過程、可逆過程狀態(tài)參數(shù)、狀態(tài)量、過程量功量、熱量、熵

p-V圖、T-S圖循環(huán)、評價指標第一章討論課Discussion

熱力系種類：閉口系、開口系、絕熱系、孤立系

熱力系的選取取決于研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便于分析。

一旦取定系統(tǒng)，沿邊界尋找相互作用。例1：絕熱剛性容器向氣缸充氣試分別選取閉口系和開口系，畫出充氣前后邊界，標明功和熱的方向。(1)以容器內(nèi)原有氣體為系統(tǒng)閉口系功量：氣體對活塞作功WWQ熱量：氣體通過活塞從外界吸熱Q(2)以容器內(nèi)殘留的氣體為系統(tǒng)閉口系功量：殘留氣體對放逸氣體作功W’W’Q’熱量：殘留氣體從放逸氣體吸熱Q’(3)以放逸氣體為系統(tǒng)閉口系功量：W

+W’熱量：Q